專利名稱：一種多級串聯(lián)直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源的同步觸發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由數(shù)十級感應(yīng)腔(Cavity)串聯(lián)構(gòu)成的大型快放電直線變壓器型驅(qū)動(dòng)源(Fast Discharging Linear Transformer Driver,英文簡稱LTD)的新型觸發(fā)方法。其獨(dú)特之處多級感應(yīng)腔串聯(lián)LTD下游感應(yīng)腔內(nèi)氣體火花開關(guān)通過自身磁芯(Magnetic cores) 電磁感應(yīng)，耦合來自上游感應(yīng)腔、沿次級傳輸線(internal transmission line)傳播的電磁脈沖實(shí)現(xiàn)多級感應(yīng)腔開關(guān)依次被耦合的高幅值過電壓觸發(fā)擊穿閉合，可顯著簡化多級串聯(lián)LTD脈沖源對觸發(fā)系統(tǒng)的要求。
背景技術(shù)：
近年來，快放電直線變壓器型驅(qū)動(dòng)源(以下采用英文簡稱LTD描述)成為國際脈沖功率驅(qū)動(dòng)源技術(shù)的研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的基于Marx發(fā)生器和水線技術(shù)產(chǎn)生高電壓大電流功率脈沖的途徑不同，LTD實(shí)現(xiàn)了低電感電容器直接通過氣體火化開關(guān)放電(Discharging Brick)產(chǎn)生上升時(shí)間IOOns的高功率脈沖。脈沖電流可通過增加感應(yīng)腔內(nèi)放電支路的并聯(lián)數(shù)實(shí)現(xiàn)，電壓的增加通過多級感應(yīng)腔的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)其基本電路結(jié)構(gòu)為初級多個(gè)支路多級依次對變壓器放電，利用同一次級將多級感應(yīng)腔電壓串聯(lián)疊加的脈沖變壓器組，對每一支路都是變比為1 1的變壓器。國際上流行的LTD感應(yīng)腔的電容器充電電壓為士 IOOkVJi 匹配負(fù)載放電可產(chǎn)生峰值為IOOkV的脈沖電壓；其輸出電流主要由感應(yīng)腔內(nèi)放電支路的電氣參數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)決定，目前國際上最大的LTD感應(yīng)腔為40個(gè)放電支路并聯(lián)，每個(gè)支路由中間串接氣體開關(guān)的2只40nF的電容器包圍磁芯的回路構(gòu)成，單個(gè)感應(yīng)腔輸出最大電流峰值為1000kA。要達(dá)到慣性約束核聚變、閃光照像，乃至聚變能源等領(lǐng)域的要求，基于LTD 技術(shù)的脈沖功率驅(qū)動(dòng)源需要由數(shù)十乃至幾百路輸出電壓高達(dá)數(shù)兆伏的子驅(qū)動(dòng)源(Module) 并聯(lián)而成；而每路子驅(qū)動(dòng)源又需要數(shù)十級感應(yīng)腔串聯(lián)而成，如此龐大的系統(tǒng)包含數(shù)萬到數(shù)十萬支氣體火花開關(guān)，要保證如此大量的開關(guān)陣列的協(xié)同工作，按每級感應(yīng)腔提供4路觸發(fā)脈沖，其觸發(fā)系統(tǒng)要求提供數(shù)萬路高電壓(大于120kV)快前沿(約20ns)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)時(shí)序可以控制，同時(shí)必須滿足極高運(yùn)行可靠性(低運(yùn)行失敗概率)和極低輸出抖動(dòng)。國內(nèi)外都在積極開展大規(guī)模LTD開關(guān)陣列的同步觸發(fā)技術(shù)研究，目前產(chǎn)生如此觸發(fā)脈沖的方法是采用低電感脈沖電容器通過短間隙高壓氣體火化開關(guān)向輸出電纜快放電，產(chǎn)生多路觸發(fā)脈沖。然而由于氣體火花開關(guān)本身固有擊穿延時(shí)抖動(dòng)和一定的自放概率，要實(shí)現(xiàn)感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合的精確控制，必須要盡可能減小觸發(fā)系統(tǒng)輸出抖動(dòng)。曾研制的一套開路輸出電壓130KV以上的觸發(fā)器，系統(tǒng)整體輸出抖動(dòng)小于5ns，但運(yùn)行1年后其自放概率較高。對電觸發(fā)氣體火花開關(guān)來說，同時(shí)取得低抖動(dòng)和高工作可靠性(極低的自放概率和觸發(fā)失敗概率)的要求是互相矛盾的。此外強(qiáng)激光觸發(fā)氣體火花開關(guān)可實(shí)現(xiàn)氣體火花開關(guān)工作同時(shí)具備低抖動(dòng)和高可靠性。然而，觸發(fā)需要的激光功率極高(MW以上)，一般需專業(yè)的大功率激光器才能提供如此的強(qiáng)激光脈沖。同時(shí)保證數(shù)萬只氣體火花開關(guān)同步放電，激光系統(tǒng)本身的可靠性就是很大的問題。另外，激光器工作前的聚焦和光路調(diào)整使得以強(qiáng)激光觸發(fā)系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建LTD觸發(fā)系統(tǒng)方案的可行性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多級串聯(lián)LTD大規(guī)模開關(guān)陣列的同步觸發(fā)方法，降低對觸發(fā)系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)多級串聯(lián)LTD開關(guān)的感應(yīng)過電壓觸發(fā)閉合。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖見附圖。其核心思想是對于一路包含數(shù)十級感應(yīng)腔串聯(lián)的 LTD裝置，僅需為上游幾級感應(yīng)腔(例如前五級)內(nèi)開關(guān)提供外觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)觸發(fā)快速閉合。已經(jīng)閉合的上游感應(yīng)腔通過次級電磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓疊加的電磁脈沖將沿著次級傳輸線向負(fù)載方向傳播。首先與電磁脈沖相遇的開關(guān)保持開路的一級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)將通過其磁芯感應(yīng)耦合前幾級產(chǎn)生的過電壓，而后續(xù)感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)感應(yīng)電壓則隨其位置逐漸降低。實(shí)際應(yīng)用中，LTD開關(guān)在如此高的過電壓作用下能夠快速閉合。因此，對于數(shù)十級感應(yīng)腔串聯(lián) LTD，僅向其上游幾個(gè)感應(yīng)腔提供外觸發(fā)脈沖，下游感應(yīng)腔能夠通過其次級傳輸線(通過磁芯)感應(yīng)到過電壓而實(shí)現(xiàn)快速觸發(fā)。本發(fā)明的一種數(shù)十級感應(yīng)腔(Cavity)串聯(lián)構(gòu)成的大型快放電直線變壓器型驅(qū)動(dòng)源的一種新型同步觸發(fā)方法，其特征在于1)采用包含η組(η不小于3即可)觸發(fā)單元的觸發(fā)系統(tǒng)為最上游的η級感應(yīng)腔提供外觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)感應(yīng)腔氣體火花開關(guān)的強(qiáng)觸發(fā)閉合；2) η組觸發(fā)單元與上游的η級感應(yīng)腔對應(yīng)；3)前η級感應(yīng)腔通過次級電磁感應(yīng)的電壓疊加后的電磁脈沖沿次級傳輸線傳播達(dá)到(η+1)級感應(yīng)腔；4)第(η+1)級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈沖施加于自身的氣體火花開關(guān)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速過電壓擊穿閉合；5)依次類推，直至電磁脈沖達(dá)到負(fù)載。2.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，次級傳輸線采用高介電常數(shù)電介質(zhì)絕緣。3.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，η組觸發(fā)單元與上游的η級感應(yīng)腔對應(yīng)；每組觸發(fā)單元采用2 4路長度相同的高壓同軸電纜(每路長度大于5米)與相應(yīng)的感應(yīng)腔對接， 為感應(yīng)腔內(nèi)氣體火花開關(guān)提供幅值高于100kV，前沿小于30ns的快前沿脈沖。4.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，觸發(fā)單元之間輸出的脈沖電壓的分散性標(biāo)準(zhǔn)偏差 (1 O )應(yīng)小于5ns。5.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部磁芯應(yīng)選用高頻磁芯(響應(yīng)時(shí)間小于 20-ns)，以便能夠?qū)⒀卮渭墏鬏斁€傳播的快電磁脈沖耦合到感應(yīng)腔內(nèi)部的放電支路，實(shí)施開關(guān)的快速過電壓擊穿。6.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部的閉合開關(guān)應(yīng)選用承受過電壓不會(huì)損壞的高壓氣體火花開關(guān)，實(shí)施開關(guān)的快速過電壓擊穿。7.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部器件及其之間的絕緣在作用時(shí)間小于 30ns的情況下，應(yīng)該能夠耐受大于600kV的快速過電壓。保證在開關(guān)過電壓閉合前不會(huì)造成內(nèi)部器件的過電壓損壞。上述觸發(fā)方法可以適用于LTD驅(qū)動(dòng)源的次級傳輸線采用高介電常數(shù)電介質(zhì)絕緣 (去離子水或甘油)的情況。


圖1第五級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合后，不同感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)感應(yīng)到的電壓。圖2上游感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合后，緊隨其后的感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)感應(yīng)到的過電壓。圖3兩種觸發(fā)方式施加到開關(guān)兩個(gè)子間隙上的電壓波形。圖4給出了假定感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)在不同過電壓幅值下?lián)舸╅]合時(shí)，第60級感應(yīng)腔內(nèi)磁芯承受過電壓及其伏秒積分，(a)施加于第60級感應(yīng)腔內(nèi)磁芯的過電壓(b)第60級內(nèi)感應(yīng)腔磁芯的伏秒積分。圖5施加于第60級感應(yīng)腔內(nèi)磁芯的過電壓及其伏秒積分圖6是發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖
具體實(shí)施例方式下面將從兩個(gè)方面闡述次級耦合過電壓觸發(fā)LTD方案及可行性。(1)下游感應(yīng)腔開關(guān)通過磁芯耦合獲得快速過電壓的可行性當(dāng)僅為上游幾級感應(yīng)腔(例如前五級)內(nèi)開關(guān)通過外觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)擊穿閉合，上游幾級感應(yīng)腔通過次級電磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓疊加的電磁脈沖將沿著次級傳輸線向負(fù)載方向傳播，第六級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)將通過其磁芯感應(yīng)耦合前幾級產(chǎn)生的過電壓，后續(xù)感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)感應(yīng)電壓則隨其位置逐漸降低，如圖1所示。如果第六級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)一直保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，其感應(yīng)電壓將達(dá)到前幾級電壓之和(約1000kV)。實(shí)際上LTD開關(guān)在感應(yīng)過電壓達(dá)到IOOOkV以前就已經(jīng)閉合。同理，第六級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合后緊隨其后的第七級感應(yīng)腔就將感應(yīng)到更高的過電壓。圖2給出了當(dāng)?shù)贜級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合后，N+1級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)感應(yīng)到的過電壓(假定第N+1級及其下游的感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)全部保持開路狀態(tài))?？傻玫剑S著更多的感應(yīng)腔因其內(nèi)部開關(guān)感應(yīng)到的過電壓而閉合，下游感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)在閉合前感應(yīng)到的過電壓幅值將越來越高，有利于下游感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)的快速擊穿閉合。(2)次級耦合過電壓觸發(fā)目前LTD常用氣體開關(guān)方案及可行性依據(jù)目前公開報(bào)道和我們自己的研究成果，要實(shí)現(xiàn)LTD氣體開關(guān)具有較低抖動(dòng) (1-2η8(1-δ))，外觸發(fā)電壓脈沖電壓要達(dá)到120kV，前沿小于30ns。這里通過電路仿真給出了氣體開關(guān)通過次級耦合的過電壓脈沖和外部提供的觸發(fā)電壓脈沖的波形比較如下圖3 所示。當(dāng)電壓脈沖施加于觸發(fā)電極以后，由觸發(fā)電極隔離而形成的兩個(gè)間隙將承受不同的電場，一個(gè)間隙電場得到加強(qiáng)，另一個(gè)間隙電場在外加觸發(fā)電壓脈沖作用下降，直到第一個(gè)子間隙擊穿。因此，在外觸發(fā)脈沖的作用下，開關(guān)兩個(gè)子間隙是級聯(lián)擊穿，其擊穿延時(shí)等于兩個(gè)子間隙擊穿延時(shí)之和。而當(dāng)開關(guān)通過磁芯耦合到過電壓后，其兩個(gè)子間隙內(nèi)的電場強(qiáng)度同時(shí)增強(qiáng)。這兩個(gè)子間隙具有近似相同的閉合延時(shí)。依據(jù)氣體擊穿的經(jīng)驗(yàn)公式pr = 97800(-)"3 44
P(1)其中，ρ是氣體密度，單位g/cm3 ； τ是氣體間隙的擊穿延時(shí)，單位s ;Ε是間隙平均電場強(qiáng)度，單位kV/cm。目前，俄羅斯大電流所研制的多間隙串聯(lián)氣體開關(guān)在LTD驅(qū)動(dòng)源得到較普遍應(yīng)用。自研多間隙串聯(lián)氣體開關(guān)充電士 100kV，充高純氮?dú)?. 35MPa時(shí)工作
5系數(shù)為70%。根據(jù)圖3，下游感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)閉合前感應(yīng)的過電壓具有更高幅值和更快前沿。 這里僅給出了第6級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)擊穿的分析結(jié)果。對于一個(gè)600kV過電壓脈沖，采用公式(1)計(jì)算開關(guān)的擊穿延時(shí)約為2ns，開關(guān)感應(yīng)的過電壓脈沖上升到600kV需要大約10ns。 因此可以推測多間隙開關(guān)能夠在上游感應(yīng)腔電脈沖傳輸?shù)皆摷壐袘?yīng)腔之后的約12ns實(shí)現(xiàn)快速閉合導(dǎo)通。(2)磁芯在耦合過電壓下的工作方案及可行性開關(guān)是通過感應(yīng)腔內(nèi)的磁芯感應(yīng)次級傳輸線傳遞的電壓脈沖，因此磁芯也要承受較高過電壓。目前LTD裝置中使用的磁芯材料與IVA(感應(yīng)電壓加速器)類似的50μπι的硅鋼夾絕緣膜磁芯和25 μ m的非晶磁芯。目前它們在IVA裝置的運(yùn)行結(jié)果表明，可以安全耐受IMV以上的亞微秒高壓脈沖。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，下游感應(yīng)腔內(nèi)磁芯感應(yīng)的過電壓較
尚ο從圖4可以看出，LTD采用次級耦合過電壓觸發(fā)時(shí)，僅需稍微增強(qiáng)磁芯的絕緣水平，而磁芯伏秒積分能夠滿足要求，在耦合過電壓脈沖作用下不會(huì)飽和。LTD感應(yīng)腔內(nèi)基本器件只有3個(gè)開關(guān)、電容器和磁芯。在開關(guān)閉合前每個(gè)支路都不可能通過傳導(dǎo)電流，電容器兩端電壓不會(huì)發(fā)生突變，將保持充電電壓。因此，采用次級耦合觸發(fā)方式僅需要增強(qiáng)開關(guān)外絕緣能力和磁芯匝間絕緣能力。采用該觸發(fā)方法將大大簡化 LTD裝置的觸發(fā)系統(tǒng)，提高LTD裝置及其觸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。本發(fā)明對推廣LTD在慣性約束聚變、聚變能源和閃光照相等國防與民用領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要經(jīng)濟(jì)軍事價(jià)值，實(shí)現(xiàn)次級耦合觸發(fā)將使LTD技術(shù)獲得突破性發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)十級感應(yīng)腔(Cavity)串聯(lián)構(gòu)成的大型快放電直線變壓器型驅(qū)動(dòng)源的一種新型同步觸發(fā)方法，其特征在于1)采用包含η組(η不小于3即可)觸發(fā)單元的觸發(fā)系統(tǒng)為最上游的η級感應(yīng)腔提供外觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)感應(yīng)腔氣體火花開關(guān)的強(qiáng)觸發(fā)閉合；2)η組觸發(fā)單元與上游的η級感應(yīng)腔對應(yīng)；3)前η級感應(yīng)腔通過次級電磁感應(yīng)的電壓疊加后的電磁脈沖沿次級傳輸線傳播達(dá)到 (η+1)級感應(yīng)腔；4)第(η+1)級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈沖施加于自身的氣體火花開關(guān)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速過電壓擊穿閉合；5)依次類推，直至電磁脈沖達(dá)到負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，次級傳輸線采用高介電常數(shù)電介質(zhì)絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，η組觸發(fā)單元與上游的η級感應(yīng)腔對應(yīng)；每組觸發(fā)單元采用2 4路長度相同的高壓同軸電纜(每路長度大于5米)與相應(yīng)的感應(yīng)腔對接，為感應(yīng)腔內(nèi)氣體火花開關(guān)提供幅值高于100kV，前沿小于30ns的快前沿脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，觸發(fā)單元之間輸出的脈沖電壓的分散性標(biāo)準(zhǔn)偏差 (1 σ )應(yīng)小于5ns。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部磁芯應(yīng)選用高頻磁芯(響應(yīng)時(shí)間小于 20-ns)，以便能夠?qū)⒀卮渭墏鬏斁€傳播的快電磁脈沖耦合到感應(yīng)腔內(nèi)部的放電支路，實(shí)施開關(guān)的快速過電壓擊穿。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部的閉合開關(guān)應(yīng)選用承受過電壓不會(huì)損壞的高壓氣體火花開關(guān)，實(shí)施開關(guān)的快速過電壓擊穿。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的觸發(fā)方法，感應(yīng)腔內(nèi)部器件及其之間的絕緣在作用時(shí)間小于30ns 的情況下，應(yīng)該能夠耐受大于600kV的快速過電壓。
全文摘要
本發(fā)明是由數(shù)十級感應(yīng)腔串聯(lián)構(gòu)成的大型快放電直線變壓器型驅(qū)動(dòng)源的新型觸發(fā)方法。采用包含n組觸發(fā)單元的觸發(fā)系統(tǒng)為最上游的n級感應(yīng)腔提供外觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)感應(yīng)腔那氣體火花開關(guān)的強(qiáng)觸發(fā)閉合；前n級感應(yīng)腔通過次級電磁感應(yīng)的電壓疊加后的電磁脈沖沿次級傳輸線傳播達(dá)到(n+1)級感應(yīng)腔；第(n+1)級感應(yīng)腔內(nèi)開關(guān)通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈沖施加于自身的氣體火花開關(guān)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速過電壓擊穿閉合，直至電磁脈沖達(dá)到負(fù)載。采用該觸發(fā)方法將提高LTD裝置及其觸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，對推廣LTD在慣性約束聚變、聚變能源等國防領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值，實(shí)現(xiàn)次級耦合觸發(fā)將使LTD技術(shù)獲得突破性發(fā)展。
文檔編號H03K5/02GK102158206SQ20111000874
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者劉鵬, 姜曉峰, 孫鳳舉, 尹佳輝, 曾江濤, 邱愛慈, 魏浩 申請人:西北核技術(shù)研究所